CN102710154A - 主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器 - Google Patents

Abstract

主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器，涉及电能交直流变换，是针对两组三相桥并联形式的十二脉波晶闸管电路在大功率场合应用中，因触发角移相范围为0～180°，制约相电流滞后相电压，需另外作无功补偿的实际所作的改进。特征在于：以多电平注入电路取代前述拓扑中的平衡电抗器，使每组三相桥输出阶梯式的多电平脉动直流电流，并为晶闸管提供零电流换相条件。所述多电平注入电路由多个结构相同的单元构成，每个单元又由两个具有逆阻特性的组件与一只电抗器构成，两个具有逆阻特性的组件的负极(或正极)与电抗器的一个端子连接，使每组结构成为一个三端口单元。如此，多电平注入电路与主电路协调控制，为主桥晶闸管提供了零电流换相条件，实现了晶闸管的受控关断，促成整个电路能够具备四象限运行能力。

Description

主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器

技术领域

本发明涉及电能交直流变换领域，特别是涉及主电路基于晶闸管的电流源型开关类变换器拓扑。

背景技术、

鉴于晶闸管在功率半导体器件家族中拥有最高的功率等级，并且驱动电路相对简单，所以晶闸管三相桥电路在高压大功率场合被广泛采用，但由于晶闸管是半控型器件，门极触发脉冲只能控制其开通，致使三相桥触发角移相范围仅为0～180°，制约其相电流总是滞后于相电压，所以采用传统晶闸管三相桥的电流源型变换器均需要配置容量可观的电容器作为无功补偿装置，这不仅仅导致装置体积增大，而且电容器故障也是导致装置不正常工作的主要原因之一。

近年来，基于全控型器件IGBT的电压源型变换器在轻型高压直流输电、无功发生器等领域的应用逐渐显现，又此类装置触发角移相范围扩展为-180°～180°，故不再需要额外配置电感或电容进行无功补偿，但因全控型器件IGBT的功率等级明显小于晶闸管的功率等级，且电压源型变换器抗短路冲击能力差，所以基于此原理的变换器在大功率场合下的运行性能就显得较差。

虽然，目前有两组三相桥并联形式的十二脉波晶闸管电路在大功率场合已广泛应用，但因角移相范围仍局限在0～180°的范围内，所以制约相电流总是滞后相电压问题仍然存在，不得不另外进行无功补偿进行改善，可否探索一种新的方法，使晶闸管在零电流条件下换相，并可实现受控关断，答复是可行的。这即是本发明的出发点。

发明内容

本发明的目的即是实现背景技术中所要探索的方法，在于使传统的两组三相桥并联形式的十二脉波晶闸管电路能够具备四象限运行能力，同时采用模块单元电路构成电流源型多电平拓扑，摒弃传统的晶闸管电流源型变换器电网侧所必需的大容量电容器。

为实现上述目标，本发明通过以下技术方案实现：

本发明所描述的是一种主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器结构，包括变压器、两组晶闸管三相桥、多电平谐波注入电路，变压器是电流源型变换器的对外接口单元，晶闸管三相桥是变换器的交直流变换单元，多电平谐波注入电路使每组三相桥输出阶梯式多电平脉动直流电流，并为晶闸管提供零电流换相条件。

所述的变压器一次为三相绕组、二次包括两套绕组：一套为Y形接法，一套为D形接法，一次绕组对二次绕组的变比分别为k_n：1(Y)和

所述的两组晶闸管三相桥，一组接变压器二次侧的Y形绕组，另一组接变压器二次侧的D形绕组；

所述的多电平注入电路由多路结构相同的注入单元构成，每路注入单元由两只全控型器件IGBT、两只二极管和一只电抗器构成，每只IGBT均与其中一只二极管串联构成具有逆阻特性的结构单元，该两结构单元的负极(或正极)与本组电抗器的一个端子连接为一个节点，如此，每路结构即成为一个三端口组件，这里，两个具有逆阻特性的结构单元，其正极(或负极)将分别接两组晶闸管三相桥的直流输出正极(或负极)，这种注入单元至少在两路以上，具体多少可根据现场实际来确定。最后，组合后的多路电抗器的另一端子再汇总与直流母线的负极(或正极)相接。

上述结构的多电平注入电路，可为主电路晶闸管提供零电流换相条件，实现晶闸管的受控关断。

与现有技术相比，本发明的创造性体现在如下几方面：

1)注入电路的开关组合将各注入支路的电感电流在两组晶闸管主桥输出端进行切换，每组晶闸管主桥输出电流为6倍电源基波频率的具有零值区间的阶梯式多电平脉动直流，在电流零值区间，对应的主桥晶闸管因电流过零而关断，从而完成换相过程。

2)两组三相桥并联形式的十二脉波晶闸管电路的触发角移相范围由原来的0～180°变为-180°～180°，实现了四象限运行。

3)多电平注入支路采用完全相同的电路结构，易实现电平数的扩展，当多电平注入支路数为n时，直流电流的电平数为n+1。多电平注入电路每条支路上的开关器件导通平均电流、电抗器平均工作电流仅为总直流电流的1/n。

4)多电平技术的采用，使变压器一次绕组电流谐波含量降低，从而降低了对交流滤波电容的要求；当电平数足够多时，变压器一次绕组电流谐波含量可满足电网对谐波含量的要求，从而可以去除电流源型变换器交流侧所必需的大容量电容器。

附图说明

图1为主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器拓扑。

图2为所有功率器件的开关状态波形图(以三电平为例，下同)。

图3为两组晶闸管三相桥输出的直流电流波形。

图中，图1-1为注入电路从晶闸管三相桥正极引出的电路结构，图1-2为注入电路从晶闸管三相桥负极引出的电路结构，其注入开关S_Yr1...S_Yrn和S_Dr1...S_Drn，可以是IGBT与二极管串联构成具有逆阻特性的结构单元或其它全控型逆阻器件，如GTO、IGCT等。

具体实施方式

主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器，是一种由变压器、两组依并联形式组合的晶闸管三相桥以及多电平注入支路组成的交直流变换电路，可为主桥晶闸管提供零电流换相条件，并可实现晶闸管的受控关断。由图1所示，它包含了变压器T、两组晶闸管三相桥S_Y与S_D、多电平谐波注入电路S_r。其中，变压器T一次为三相、二次包括两套绕组：一套为Y形接法，一套为D形接法，一次绕组对二次绕组的变比分别为k_n：1(Y)和

多电平谐波注入电路S_r为图1中虚线框的部分，由多路结构相同的注入单元构成，每组注入单元由两只注入开关S_Yrj和S_Drj来和一只电抗器L_j(j＝1，2，...，n)串联构成，随着支路的数量改变，注入单元可以不限量，注入的开关S_Yr1…S_Yrn和S_Dr1…S_Drns是由全控型器件IGBT与二极管(晶闸管)串联构成，它是一个具有逆阻特性的结构单元，其功能与逆阻型全控器件GTO、IGCT等同。

上述多电平注入电路各支路采用完全相同的电路结构，易实现电平数的扩展，当多电平注入支路数为n时，直流电流的电平数为n+1，通常至少在两路以上。

以三电平为例，所有功率器件的开关状态由图2所示。主桥晶闸管S_Y1…S_Y6和S_D1…S_D6，每个电源周期导通一次，每次导通电角度为2π/3，S_Y1…S_Y6每间隔π/3电角度有一只导通，导通顺序为1-2-3-4-5-6，S_D1…S_D6比S_Y1…S_Y6对应滞后导通π/6。注入开关的开关频率为电源基波频率的6倍，每次导通π/6，S_Yr1与S_Dr1互锁、S_Yr2与S_Dr2互锁，S_Yr2比S_Yr1滞后π/12，S_Dr2比S_Dr1滞后π/12。S_Y1…S_Y6开关切换时，S_Yr1、S_Yr2均处于关断状态，关断区间为π/12；S_D1…S_D6开关切换时，S_Dr1、S_Dr2均处于关断状态，关断区间为π/12。

晶闸管主桥的电流波形由图3所示。对照图2、图3，可见当主桥晶闸管S_Y1…S_Y6切换时，Y桥直流输出电流为零，既主桥开关在零电流条件下切换；当主桥晶闸管S_D1…S_D6切换时，Δ桥直流输出电流为零，既主桥开关在零电流条件下切换。

当多电平注入电路支路数为n时，两主桥的直流电流电平数为n+1。注入开关的开关频率仍为6倍电源基波频率，S_Yr1…S_Yrn和S_Dr1…S_Drn每次导通π/6，S_Yrj与S_Drj互锁，S_Yrj+1比S_Yrj滞后π/(6n)，S_Drj+1比S_Drj滞后π/(6n)。S_Y1…S_Y6开关切换时，S_Yr1…S_Yrn均处于关断状态，关断区间为π/(6n)；S_D1…S_D6开关切换时，S_Dr1…S_Drn均处于关断状态，关断区间为π/(6n)。

由上，本发明改进，使晶闸管三相桥触发角移相范围扩展为-180°～180°，较好地解决了晶闸管在零电流条件下的换相，并可实现受控关断。

Claims (3)

1.一种主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器，包含有变压器、两组晶闸管三相桥和多电平谐波注入电路，其中的变压器是电流源型变换器的对外接口单元，两组晶闸管三相桥是变换器的交直流变换单元，其特征在于：多电平注入电路分别与两组晶闸管三相桥直流输出端口连接，使每组三相桥输出阶梯式的多电平脉动直流电流，并为晶闸管提供零电流换相条件。

2.根据权利要求1所述的主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器，其特征在于：所述的多电平注入电路是由多支路结构相同的组合单元构成，每组结构单元由两个具有逆阻特性的组件与一只电抗器构成，该两个具有逆阻特性的组件的负极(或正极)与电抗器的一个端子连接，使每组结构成为一个三端口单元，并其中两个具有逆阻特性的组件单元的正极(或负极)分别接两组晶闸管三相桥直流输出正极(或负极)，多路电抗器的另一端子汇总接直流母线的负极(或正极)。

3.根据权利要求1所述的主电路基于晶闸管的四象限多电平电流源型变换器，其特征在于：所述多电平注入电路的各组合单元支路，均采用完全相同的电路结构，可随意扩展，当多电平注入支路数为n时，两主桥直流电流的电平数为n+1。

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